Témata
Reklama

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 1.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových šroubů.

Díly
Prof. Jiří Marek

Je profesorem na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky FSI VUT v Brně. Zastával manažerské pozice ve výrobních společnostech Toshulin, KŠ Kuřim a TOS Kuřim. V praktické a pedagogické činnosti je zaměřen především na konstrukci obráběcích strojů a obráběcích center pro rotační i nerotační obrobky, teorii konstrukčního procesu a životního cyklu produktu a v neposlední řadě na systémovou metodologii. Jeho dlouholetou snahou je spojovat teorii s praxí do vzájemně se respektujícího celku. Je členem řady odborných organizací, členem redakční rady MM Průmyslového spektra a spoluzakladatelem MM Science Journal. Je autorem celé řady monografií, mj. i legendární knižní edice Konstrukce CNC obráběcích strojů (MM publishing).

V první části budeme hovořit o všeobecných souvislostech používání kuličkových šroubů a matic.

Reklama
Reklama

Posuvová soustava

Elektromechanická posuvová soustava se skládá z části CNC řídicího systému určeného pro řízení polohy, servomechanismu (servomotor a jeho řízení), mechanické části soustavy a zpětné vazby (odměřování polohy stolu nebo rotoru servomotoru). V případě elektromechanické posuvové soustavy s kuličkovým šroubem je synchronní, elektronicky komutovaný digitální servomotor (AC) napojen přímo nebo přes vložený převod prostřednictvím spojky na hřídel kuličkového šroubu. Elektrický servomechanismus je regulační soustava tvořená servomotorem, výkonovým polovodičovým měničem pro napájení a řízení motoru a regulátorem pro řízení polohy, respektive otáček. Součástí servomotoru bývají obvykle podle druhu užitého odměřování snímače rychlosti, popřípadě polohy. Rychlostní (otáčkový) servomechanismus má pouze otáčkovou zpětnou vazbu. Zpětná vazba slouží pro sledování okamžité hodnoty veličiny (např. otáček) a umožňuje rychlé a přesné sledování zadávané rychlosti, přičemž zadávaná rychlost může být výstupem nadřazeného regulátoru, kterým je regulátor polohy. Polohový servomechanismus slouží pro řízení polohy – buď úhlu natočení, nebo posuvové dráhy.

Pro odměřování polohy posouvaného stolu používáme snímače polohy, které jsou jejich nejdůležitější součástí, protože se podílejí na výsledné kvalitě a přesnosti polohování. Užití lineárního snímače, který snímá skutečnou polohu stolu CNC obráběcího stroje, je nazýváno přímé. Jezdec pravítka je spojen s pohybující se částí posuvové souřadnice. U nepřímého odměřování využíváme buď rotačního odměřování polohy, což je snímač napojený přímo na konec kuličkového šroubu, nebo signálu z již zmíněného odměřování vestavěného do AC servomotoru. Přírůstkové odměřování polohy v sobě neuchovává informaci o poloze, kde se po výpadku elektrické energie nebo vypnutí stroje posouvaná část nachází (např. stůl). Z těchto důvodů je nutné po opětovném zapnutí najet do tzv. referenčního bodu. Naproti tomu absolutní odměřování v sobě uchovává úplnou informaci v poloze a není nutné referovat.

V provedení náhonu pomocí pohybového šroubu a matice se vyskytují dvě základní provedení: první, kdy se šroub otáčí a matice posouvá (znázorněno), a druhé provedení, kdy se matice otáčí a zároveň posouvá a šroub stojí. [Zdroj: autor, Toshulin]

Princip kuličkového šroubu a matice

V dřívějších dobách stavby NC obráběcích strojů (cca okolo roku 1952) se používaly pohybové šrouby s kluzným třením s vymezenou vůlí. Aby se ve vlastním pohybovém šroubu zmenšilo opotřebení závitů a zlepšila se účinnost, zavádějí se šrouby a matice se třením valivým. Jejich účinnost bývá 90 % i více. Šroub a matice jsou ocelové, povrchy závitů kalené a broušené. Závity jsou vyrobeny s velkou přesností (dovolená úchylka stoupání bývá např. 0,002 mm na 100 mm). K hlavním přednostem kuličkového šroubu a matice patří vysoká účinnost, minimální oteplování během provozu, možnost úplného odstranění vůle a možnost vytvoření předpětí (vysoká tuhost a přesnost), malé opotřebení a tím vysoká životnost, potlačení vzniku trhavých pohybů či možnost převodu přímočarého pohybu na rotační.

Výrobci kuličkových šroubů a matic používají obvykle dvě provedení profilu drážky pro odvalování kuliček a šroubu matice. Prvním je gotický profil, kdy se toto provedení používá nejčastěji a rovněž výrobce KSK Kuřim je využívá pro jeho výhody. Druhým je kruhový profil. U tohoto provedení je výroba jednodušší, má však horší účinnost ‒ dochází k většímu zatížení kuliček vlivem malého úhlu styku. Někteří zahraniční výrobci tento profil používají často v provedení nekaleném. Vynález kuličkových šroubů a matice sahá do velké minulosti, stejně jako aplikace ve stavbě CNC obráběcích strojů.

V gotickém profilu závitu kuličkového šroubu a matice mezi šroubem a maticí obíhají vložené kuličky. [Zdroj: KSK Kuřim]


Nejstarší dohledatelný patent kuličkového šroubu s externím převodem kuliček je americký patent na šroubový zvedák udělený v březnu 1898, který má číslo US 601451. [Zdroj: patentová databáze Googlu]. Pro zvětšení klikněte na obrázek.


Nejstarší dohledatelný patent kuličkového šroubu s aplikací ve stavbě číslicově řízených obráběcích strojů je americký patent udělený v květnu 1961, který má číslo US 2982145. [Zdroj: patentová databáze Googlu]. Pro zvětšení klikněte na obrázek

Uložení kuličkových šroubů

Důležitým parametrem pohybového mechanismu realizovaného pomocí kuličkového šroubu a matice je jeho statická tuhost, kterou ovlivňuje nejenom konstrukce šroubu samotného, ale i způsob axiálního uložení. Při jednostranném axiálním uložení dochází během zdvihu k poklesu tuhosti. Při oboustranném axiálním uložení a předepnutí je výsledný průběh statické tuhosti podstatně příznivější. U tohoto provedení je však nutno zvážit vliv dilatací a oteplování pohybového šroubu během provozu, které by mohly být příčinou problémů. Je zřejmé, že při uložení ve dvou axiálních ložiskách je tuhost podstatně vyšší a ve střední zdvihové části zůstává přibližně konstantní. V tomto případě je nutné vždy uvážit, že i vlivem valivého tření mezi maticí a šroubem se šroub otepluje, což má za následek teplotní dilatace.

Při oboustranném axiálním uložení vznikají přídavné síly. V takových případech lze použít způsob, že se ve „studeném“ stavu šroub předepne na tah – během provozu (ohřívání) se nejprve eliminuje předepnutí na tah a dalším ohříváním na provozní teplotu vznikne axiální tlakové předepnutí potřebné pro docílení tuhosti posuvového systému. Takové řešení lze však využít jen na základě důkladné znalosti všech provozních parametrů soustavy.

Všeobecně lze pro uložení pohybového šroubu stanovit některé hlavní konstrukční zásady:
• přednostně volit ložiska s přímkovým stykem válečková, jehlová;
• minimalizovat počet opěrných, vložených kroužků, neboť každá styková plocha snižuje tuhost;
• připojovací a dosedací plochy mají být opracovány s vysokou jakostí povrchu;
• všechny prvky uložení (příruby aj.) mají mít maximální tuhost;
• jednotlivá ložiska je vhodné předepnout.

Závěrem

Na posuvové soustavy je kladena vysoká tuhost, velký regulační rozsah, přijatelná dynamika a kinematika a přesnost signálů bez zkreslení a kvalitní regulace. Kuličkový šroub a matice hrají v této soustavě hlavní roli. Existuje nespočet konstrukčních řešení a provedení takové kinematické dvojice. V dalším dílu tohoto miniseriálu se podíváme na jeho vnitřní stavbu.

Prof. dr. Ing. Jiří Marek

KSK Kuřim

jiri.marek@ks-kurim.cz

www.ks-kurim.cz

Reklama
Související články
Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Optimalizace péče o ložiska zabraňuje odstávkám výroby

Ložiska jsou vysoce namáhanými součástmi pohonů, které v průběhu času podléhají opotřebení. S ohledem na to je zvláště důležité zahrnout je do plánů údržby, protože tato strategie pomáhá prodloužit životnost strojů nebo zařízení.

Související články
Velmi rychlá dvojčata

SolidCAM a InventorCAM jsou jeden a tentýž CAM program integrovaný v různých CADech (SolidWorks a Autodesk Inventor), proto má smysl mluvit o obou najednou. Neliší se funkčně totiž opravdu vůbec, pouze je uživatel ovládá ve svém oblíbeném CADu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Opřít se o silného partnera

V dnešní době hospodářského růstu mnoho firem přemýšlí o rozšíření výroby. To se však neobejde bez úvah o tom, kde získat prostředky na nové stroje a zařízení. Řešení má jméno SGEF.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Integrovaný obvod o tloušťce jedné molekuly

Lidstvo již zvládlo přeměňovat světlo na elektřinu a vytvořit akumulátory, v nichž nedochází k chemickým reakcím. Problémem však je, že tyto přístroje mají velmi nízkou účinnost. Nejlepších parametrů by se dosáhlo při použití polovodičů o tloušťce jediné molekuly. A ty se nyní naučili vyrábět vědci z ruského institutu MISiS, který je partnerem ruské korporace pro atomovou energii Rosatom.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit